В современном мировом сельском конфликт есть агротехнологий. С одной стороны, интенсивное земледелие требует массового внесения концентрированных минеральных макроэлементов, таких как азот и фосфор. С другой стороны, глобальный тренд на экологизацию принуждает фермеров активно использовать биопрепараты — полезные почвенные микроорганизмы. До недавнего времени эти два направления были несовместимы в рамках одной операции: агрессивная химическая среда концентрированных гранул уничтожала живые споры биоагентов при попытке их совместного хранения или внесения.
Новаторское решение этой проблемы предложила совместная группа исследователей из Подразделения приборостроения Бразильской корпорации сельскохозяйственных исследований (Embrapa Instrumentation) и Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar).
Ученые разработали биоразлагаемое защитное покрытие, которое позволяет интегрировать живой гриб-антогонист Trichoderma harzianum непосредственно в гранулы популярного минерального удобрения — моноаммонийфосфата (MAP).
Гриб Trichoderma harzianum — один из самых эффективных и востребованных агентов биоконтроля в современном растениеводстве. Он обладает мощным потенциалом: активно подавляет почвенных фитопатогенов (таких как корневые гнили Fusarium solani), стимулирует развитие корневой системы растений и улучшает общую супрессивность почвы. Однако в свободном состоянии споры этого гриба крайне чувствительны к внешним факторам среды.
Когда сельхозпроизводители пытались механически смешивать сухие споры триходермы с гранулами моноаммонийфосфата, микроорганизмы гибли еще до попадания в почву.
Причин тому несколько. Высокая концентрация солей вокруг растворяющейся гранулы удобрения «высасывает» влагу из живых клеток споры. Локальные сильные сдвиги кислотности (pH) в зоне растворения макроэлементов разрушают клеточные оболочки гриба.
Таким образом, фермерам приходилось вносить удобрения и биопрепараты раздельно, что удваивало расходы на топливо, амортизацию техники и оплату труда.
Исследовательская группа под руководством координатора проекта Кристианы Санчес Фаринас (Embrapa) разработала «умную» полимерную оболочку, которая наносится непосредственно на гранулы MAP и изолирует споры от агрессивного субстрата.
В основе покрытия лежит нанокомпозитная матрица из карбоксиметилцеллюлозы (CMC), армированная нанокристаллами целлюлозы (CNC).
Кристиана Фаринас образно сравнивает эту структуру с тестом для пирога, где полимерная основа удерживает и защищает все остальные ингредиенты.
Технология работает по принципу пролонгированного экранирования. Прочная, но эластичная целлюлозная пленка не позволяет кристаллам солей фосфора и азота напрямую контактировать со спорами Trichoderma harzianum во время хранения. Внедрение нанокристаллов целлюлозы (CNC) уплотняет структуру полимера, заставляя влагу проникать внутрь гранулы по сложной траектории. Это обеспечивает контролируемое, постепенное высвобождение гриба в почву после внесения.
Сама карбоксиметилцеллюлоза после попадания в почвенный раствор служит первичным источником углеродного питания для прорастающих спор триходермы.
Проект стал результатом междисциплинарных исследований на стыке биотехнологии, нанотехнологий и агрохимии. Разработка проходила в несколько этапов.
На базе лабораторий Embrapa Instrumentation ученые модифицировали природную целлюлозу, получив нанокристаллы. Путем сшивания цепей карбоксиметилцеллюлозы ионами кальция в коагуляционной ванне удалось добиться оптимальной прочности пленок.
С помощью рентгеновской микротомографии и сканирующей электронной микроскопии исследователи изучили внутреннюю структуру покрытия. Анализ подтвердил равномерное, случайное распределение спор внутри пор полимерной матрицы.
Защищенные гранулы подвергали испытаниям: нагреванию до 40 °C, воздействию прямого ультрафиолетового излучения и контакту с коммерческими химическими фунгицидами. Во всех тестах нанокомпозитная оболочка продемонстрировала ожидаемо уровень защиты.
Контрольные замеры показали, что после трех месяцев хранения готового комбинированного удобрения при комнатной температуре инкапсулированные споры сохранили высокую жизнеспособность на уровне 6,5 х 10^8 КОЕ/г. В то же время «голые», неинкапсулированные споры на обычных гранулах потеряли свою жизнеспособность в 1000 раз.
Доказано, что даже после года хранения гриб полностью сохраняет свою антагонистическую способность уничтожать патогены.
Внедрение технологии Embrapa и UFSCar решает сразу несколько стратегических задач глобального агросектоа. Объединение биопрепарата и минерального комплекса в одной грануле сокращает количество проходов трактора по полю. Меньше поездок — меньше сожженного дизельного топлива и ниже выбросы парниковых газов в атмосферу.
Моноаммонийфосфат поставляет растению стартовый фосфор. Присутствующая тут же триходерма, развиваясь в ризосфере, вырабатывает органические кислоты, которые переводят труднорастворимые соединения фосфора в почве в доступную для корней форму. Эффективность удобрения возрастает.
Агрономы получают стабильный коммерческий продукт с длительным сроком годности, который можно закупать заранее, хранить на стандартных складах и вносить стандартными разбрасывателями или сеялками без риска погубить живую основу биопрепарата.
На вторую половину 2026 года технология находится на важнейшем этапе своего развития — переходе от лабораторного прототипа к реальному производству. Преодолев биохимический барьер несовместимости, ученые столкнулись с инженерными задачами. Необходимо адаптировать лабораторный метод нанесения нанооболочки к промышленным масштабам заводов по производству минеральных удобрений. Процесс покрытия миллионов тонн гранул должен быть высокоскоростным и экономически рентабельным.
Сейчас запускается серия масштабных многоцентровых испытаний на различных сельскохозяйственных культурах (соя, кукуруза, хлопчатник) в разнообразных почвенно-климатических условиях, чтобы подтвердить стабильность высвобождения спор в реальной почве.
Источник: Embrapa/UFSCar.